Pseudo substrat InGaN relaxé pour émission à grande longueur d'onde

Relaxed InGaN pseudosubstrate for long wavelengths emission

• Auteur / Autrice : Benjamin Samuel
• Direction : Bruno Gayral, Amélie Dussaigne
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique des matériaux
• Date : Soutenance le 26/03/2021
• Etablissement(s) : Université Grenoble Alpes
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale physique (Grenoble, Isère, France ; 1991-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'électronique et de technologie de l'information (Grenoble ; 1967-....)
• Jury : Président / Présidente : Thierry Baron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yamina André, Gwenolé Jacopin
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Jésus Zúñiga-Pérez, Gilles Patriarche

Mots clés

Mots clés contrôlés

Puits quantiques

Nitrures

Diodes électroluminescentes

Mots clés libres

Led

Écran multicolor

InGaN

Multicolor Display

Led

InGaN

Résumé

Dans un micro-écran, chaque pixel est composé de trois diodes électroluminescentes (LEDs) émettant respectivement dans le bleu, le vert et le rouge. Pour les applications de réalité augmentée et de réalité virtuelle auxquelles sont destinées ces technologies d’affichage, les tailles de ces LEDs nécessitent d’être réduites à moins d’une dizaine de μm, ce qui restreint l’utilisation commune de plusieurs familles de matériau. Une approche monolithique est ainsi nécessaire. Les LEDs à base de nitrures d’éléments III pourraient théoriquement couvrir tout le spectre visible mais leur efficacité chute au-delà de 460 nm. Afin d’obtenir des LEDs efficaces à base de (Ga,In)N émettant à grande longueur d’onde, l’un des points clefs est l’augmentation de la concentration en In des puits quantiques à base d’In- GaN, tout en gardant une bonne qualité cristalline. Une des solutions envisagées, et probablement la plus efficace, est de disposer d’un substrat InGaN relaxé, c’est-à-dire un substrat plus en accord de maille avec l’InGaN de forte composition constituant les puits quantiques de la zone active. Ce désaccord de maille est en effet à l’origine d’une forte contrainte compressive dans ceux-ci, dont les répercussions sur le rendement radiatif et le taux d’incorporation d’indium sont préjudiciables. Ces travaux de thèse proposent d’explorer, en détail, les caractéristiques des structures émettrices à grande longueur d’onde à base d’InGaN crues sur ces pseudo-substrats InGaN relaxés et la possibilité de fabrication et d’amélioration de tels substrats. Sur les pseudo-substrats InGaN appelés InGaNOS fabriqués par Soitec, une structure adaptée à ce type de substrat permet d’émettre à une longueur d’onde de 624 nm, avec une efficacité quantique interne (IQE) optique de 6.5%, à température ambiante. L’estimation par des cartographies de déformation d’une teneur en indium de 39% dans ces puits quantiques à base d’InGaN, soit au-delà de la limite théorique de 25% sur GaN, est une première et atteste la pertinence de notre approche. Néanmoins, l’émission des puits quantiques demeure inhomogène et une couche d’InGaN donneur à forte teneur en indium a été développée en vue de la fabrication de pseudo-substrats InGaN de meilleure qualité cristalline et avec un plus grand paramètre de maille a. Finalement, un pseudo-substrat InGaN relaxé a été conçu. La couche d’InGaN relaxée en surface dispose d’un paramètre de maille de 3.209°A, obtenue au moyen d’un procédé de relaxation en trois étapes : la structuration des échantillons en mésas, la porosification du n-GaN sous-jacent et un recuit à haute température.

Each pixel of a micro-display is composed of three light-emitting diodes (LEDs) emitting in the blue, green and red range, respectively. For augmented and virtual reality applications for which these display technologies are intended, the sizes of these LEDs needs to be reduced to less than 10 mm. For such small dimensions, it is not possible to integrate different material families, and so a monolithic approach is thus required. LEDs based on III-nitrides could theoretically cover the whole visible spectrum but their efficiency drops for wavelengths beyond 460 nm. In order to obtain efficient (Ga,In)N-based LEDs emitting at long wavelengths, one of the key points is to increase the In concentration of the InGaN-based quantum wells, while maintaining good crystal quality. One of the solutions, consists of having a relaxed InGaN substrate, i.e. a substrate with a lattice parameter more closely matched to the high In composition InGaN-based quantum wells in the active region. Lattice mismatch should be avoided as it generates a strong compressive strain in the quantum wells, which has a detrimental impact on the radiative efficiency and the indium incorporation rate in the quantum wells. This PhD thesis explores in detail the characteristics of InGaN based long wavelength emitting structures on these relaxed InGaN pseudo-substrates and the possibility to manufacture and improve such substrates.On InGaN pseudo-substrates called InGaNOS manufactured by Soitec, a structure adapted to this type of substrate was grown, reaching a PL emission wavelength of 624 nm, with an optical IQE of 6.5%, at room temperature. The estimation by deformation mapping of the indium content in these InGaN-based quantum wells, was found to be 39% i.e. beyond the theoretical limit of 25% on GaN. This shows the relevance of our approach. Nevertheless, the quantum well emission remains inhomogeneous and so a donor InGaN layer with a higher indium content has been developed for the fabrication of InGaN pseudo-substrates with a larger lattice parameter and a better crystal quality. Finally, a relaxed InGaN pseudosubstrate was created. The InGaN relaxed layer on top has an a lattice parameter of 3,209°A, resulting from a three-step relaxation process : structuring the samples into mesas, porosifying the underlying n-GaN and annealing at high temperature.